DE112016000983B4 - Fuel injection control device for a direct injection engine - Google Patents
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Abstract
Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit Direkteinspritzung, die Steuerungsvorrichtung aufweisend:einen Motorblock, der eine Brennkammer umfasst, die von einem Zylinderkopfdeckenabschnitt, einem für einen Zylinder vorgesehenen Zylinderblock, und einem sich im Inneren des Zylinders hin- und herbewegenden Kolben definiert wird; undeine Kraftstoffeinspritzungs- Steuerungseinheit, die ein Kraftstoffeinspritzventil umfasst, das innerhalb der Brennkammer vorgesehen ist, um einen Flüssigkraftstoff einzuspritzen, und das eingerichtet ist, den Kraftstoff zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in die Brennkammer einzuspritzen, wobeidie Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, eine Haupteinspritzung über einen Zeitraum durchzuführen, der von einer letzten Stufe eines Verdichtungstakts bis zu einer Anfangsstufe eines Arbeitstakts reicht und auch eine Voreinspritzung über einen Zeitraum, der von dem Ansaugtakt bis zu einer ersten Hälfte des Verdichtungstakts andauert, durchzuführen, bei der eine kleinere Menge des Kraftstoffs als bei der Haupteinspritzung eingespritzt wird, unddie Kraftstoffeinspritzungs- Steuerungseinheit auch dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, ob der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff während einer zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidationsreaktion hervorruft, und beim Bestimmen, dass der Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion hervorruft, zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine Zwischen-Einspritzung durchzuführen, unddie Kraftstoffeinspritzungs- Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, die Zwischen-Einspritzung zu einem solchen Zeitpunkt durchzuführen, der es dem durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, während oder nachdem der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff spontan gezündet hat, spontan zu zünden, wobei der genannte Zeitpunkt vor Eintritt der Teiloxidationsreaktion während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts liegt.A fuel injection control device for a direct injection engine, the control device comprising:an engine block including a combustion chamber defined by a cylinder head cover portion, a cylinder block provided for a cylinder, and a piston reciprocating inside the cylinder; anda fuel injection control unit including a fuel injection valve provided within the combustion chamber for injecting a liquid fuel and configured to inject the fuel into the combustion chamber at a predetermined timing, whereinthe fuel injection control unit is adapted to perform a main injection via a to perform a period ranging from a final stage of a compression stroke to an initial stage of a power stroke and also to perform a pilot injection over a period lasting from the intake stroke to a first half of the compression stroke, in which a smaller amount of the fuel than in the main injection, and the fuel injection control unit is also adapted to determine whether the fuel injected by the pilot injection produces a partial oxidation reaction during a second half of the compression stroke calls, and upon determining that the fuel causes the partial oxidation reaction to perform an intermediate injection between the pilot injection and the main injection, and the fuel injection control unit is adapted to perform the intermediate injection at such a timing that allows the intermediate injection Injection allows fuel injected to ignite spontaneously during or after the fuel injected by the main injection spontaneously ignites, said timing being before the partial oxidation reaction occurs during the second half of the compression stroke.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit Direkteinspritzung.The present disclosure relates to a fuel injection control device for a direct injection engine.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Eine ähnliche Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung ist auch aus der Schrift
Weitere ähnliche Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtungen sind ferner aus den Schriften
DARSTELLUNGDEPICTION
TECHNISCHES PROBLEMTECHNICAL PROBLEM
Das Bilden einer Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und einer Gasschicht, welche die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht umgibt, in der wie in
In diesem Fall ermöglicht das Bilden einer Kraftstoff-mageren Gasschicht mittels Durchführen einer kleinen Menge an Voreinspritzung in einer frühen Stufe von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verbrennungstakts und das Bilden einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht näher an dem Zentralbereich der Brennkammer mittels Durchführen einer Haupteinspritzung zu einem Zeitraum, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bei zu einer Anfangsstufe des Arbeitstakts reicht, wie in
Der während dem Zeitraum ab dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verbrennungstakts in den Zylinder eingesaugte Kraftstoff (also der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff) kann jedoch in einer Umgebung, in der der Druck und die Temperatur schrittweise in dem Zylinder ansteigen, wenn der Zylinder während dem Verdichtungstakt aufsteigt, eine Teiloxidations-Reaktion hervorrufen. Sobald der durch die Voreinspritzung angesaugte Kraftstoff eine Teiloxidations-Reaktion hervorgerufen hat, wird der während dem Zeitraum, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts andauert, eingespritzte Kraftstoff (d.h. der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff) spontan zünden, nachdem er eingespritzt wurde und bevor er sich gut mit der Luft vermischt hat (also ohne, dass ihm eine ausreichende Zündzeitpunktverzögerung gewährt wurde), wodurch möglicherweise Rauch entsteht oder die Verlängerung des Verbrennungszeitraums während dem Arbeitstakt derart verlängert wird, dass ein Anstieg der CO-Emission verursacht wird.However, the fuel sucked into the cylinder during the period from the intake stroke to the first half of the combustion stroke (i.e., the fuel injected by the pilot injection) may occur in an environment where the pressure and temperature rise gradually in the cylinder when the cylinder is the compression stroke rises, cause a partial oxidation reaction. Once the fuel drawn in by the pilot injection has caused a partial oxidation reaction, the fuel injected during the period lasting from the final stage of the compression stroke to the initial stage of the power stroke (i.e., the fuel injected by the main injection) will spontaneously ignite after it has been injected and before it has mixed well with the air (i.e. without being given sufficient ignition timing retard), thereby possibly generating smoke or lengthening the combustion period during the power stroke so as to cause an increase in CO emission.
In Anbetracht des vorgenannten Hintergrunds ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Abfall der Abgasemissionsleistung zu verringern, indem bei einem Motor mit Direkteinspritzung, der den Kraftstoff durch Spontanzündung verbrennt, indem diskrete Einspritzungen in einem Hochlastbereich vorgenommen werden, bei dem der Betrag des eingespritzten Kraftstoffs ansteigt, einem Kraftstoff, der durch Haupteinspritzung eingespritzt wird, die über einen Zeitpunkt, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts reicht, eine ausreichend lange Zündungszeitpunkt-Verzögerung gewährt wird.In view of the above background, it is therefore an object of the present disclosure to reduce a drop in exhaust emission performance by making discrete injections in a high-load range in which the amount of injected fuel increases, a fuel injected by main injection that is given a sufficiently long ignition timing retard over a timing ranging from the final stage of the compression stroke to the initial stage of the power stroke.
LÖSUNG DES PROBLEMSTHE SOLUTION OF THE PROBLEM
Um die genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen bzw. abzumildern, sieht die vorliegende Erfindung eine Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit Direkteinspritzung gemäß Patentanspruch 1 vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung umfasst also: einen Motorblock, der eine Brennkammer umfasst, die von einem Zylinderkopfdeckenabschnitt, einem für einen Zylinder vorgesehenen Zylinderblock, und einem sich im Inneren des Zylinders hin und her bewegenden Kolben definiert wird; und eine Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungseinheit, die ein Kraftstoffeinspritzventil umfasst, das in der Brennkammer vorgesehen ist, um einen Flüssigkraftstoff einzuspritzen, und eingerichtet ist, den Kraftstoff zu einem vorgegeben Zeitpunkt in die Brennkammer einzuspritzen.In order to at least partially solve or mitigate the above problems, the present invention provides a fuel injection control device for a direct injection engine according to
Die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung führt eine Haupteinspritzung durch während einem Zeitraum, der von einer letzten Stufe eines Verdichtungstakts bis zu einer Anfangsstufe eines Arbeitstakts reicht, und führt auch eine Voreinspritzung durch über einen Zeitraum, der von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verdichtungstakts andauert, bei der eine kleinere Menge Kraftstoff eingespritzt wird als bei der Haupteinspritzung. Ferner bestimmt die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, ob der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff während einer zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidationsreaktion hervorruft und führt beim Bestimmen, dass der Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion hervorruft, zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine Zwischen-Einspritzung durch. Die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung führt die Zwischen-Einspritzung zu einem solchen Zeitpunkt durch, der es dem durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, während oder nachdem der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff spontan gezündet wurde und bevor die Teiloxidationsreaktion während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eintritt, spontan zu zünden.The fuel injection controller performs a main injection during a period ranging from a final stage of a compression stroke to an initial stage of a power stroke, and also performs a pilot injection over a period ranging from the intake stroke to the first half of the compression stroke which a smaller amount of fuel is injected than with the main injection. Further, the fuel injection control unit determines whether the fuel injected by the pilot injection causes a partial oxidation reaction during a second half of the compression stroke, and when determining that the fuel causes the partial oxidation reaction, performs an intermediate injection between the pilot injection and the main injection. The fuel injection control unit performs the intermediate injection at such a timing that allows the fuel injected by the intermediate injection to be spontaneously ignited during or after the fuel injected by the main injection and before the partial oxidation reaction during the second half of the Compression stroke occurs to ignite spontaneously.
Wie vorliegend verwendet bezeichnen „erste Hälfte des Verdichtungstakts“ und „zweite Hälfte des Verdichtungstakts“ jeweils die erste und zweite Hälfte, wenn der Verdichtungstakt in zwei gleiche Hälften aufgeteilt wird, nämlich eine erste und eine zweite Hälfte. Indessen bezeichnet vorliegend die „letzte Stufe des Verdichtungstakts“ die letzte Stufe, wenn der Verdichtungstakt in drei gleiche Stufen unterteilt wird, nämlich eine Anfangsstufe, eine mittlere Stufe und die letzte Stufe. Ferner bezeichnet vorliegend die „Anfangsstufe des Arbeitstakts“ eine Anfangsstufe, wenn der Arbeitstakt in drei gleiche Stufen unterteilt wird, nämlich die Anfangsstufe, eine mittlere Stufe und die letzte Stufe.As used herein, "first half of the compression stroke" and "second half of the compression stroke" refer to the first and second halves, respectively, when the compression stroke is divided into two equal halves, namely a first half and a second half. Meanwhile, the “final stage of the compression stroke” herein means the final stage when the compression stroke is divided into three equal stages, namely, an initial stage, a middle stage, and the final stage. Also, herein, the “initial stage of the power stroke” means an initial stage when the power stroke is divided into three equal stages, namely, the initial stage, a middle stage, and the final stage.
Gemäß dieser Ausgestaltung führt die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung diskrete Einspritzungen durch, die zumindest eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung umfassen. Dies ist in einem Bereich hoher Last, in der die Menge des eingespritzten Kraftstoffs zunimmt, von Vorteil. Die Voreinspritzung wird durch Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder über einen Zeitraum durchgeführt, der von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verdichtungstakts andauert. Da der Kraftstoff verhältnismäßig früh eingespritzt wird, diffundiert der eingespritzte Kraftstoff innerhalb der Brennkammer. Ferner spritzt die Voreinspritzung eine verhältnismäßig kleine Menge des Kraftstoffs ein, und bildet ein verhältnismäßig mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch.According to this embodiment, the fuel injection control device performs discrete injections, which include at least a pilot injection and a main injection. This is advantageous in a high load region where the amount of fuel injected increases. The pilot injection is performed by injecting the fuel into the cylinder over a period lasting from the intake stroke to the first half of the compression stroke. Because the fuel is injected relatively early, the injected fuel diffuses within the combustion chamber. Further, the pilot injection injects a relatively small amount of fuel, and forms a relatively lean air-fuel mixture.
Die Haupteinspritzung wird durch Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder über einen Zeitraum, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts reicht, durchgeführt. Da der Kraftstoff spät eingespritzt wird, konzentriert sich der Kraftstoffnebel in Richtung eines Zentralbereichs der Brennkammer. Die Haupteinspritzung spritzt eine verhältnismäßig große Menge des Kraftstoffs ein. Auf diese Weise bilden sich zu einem Zeitpunkt, wenn das Kraftstoff/Luft-Gemisch zündet, in der Brennkammer eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und eine die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht umgebende, verhältnismäßig magere Gasschicht. Wenn die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht spontan in diesem Zustand zündet, wirkt die umgebende Gasschicht als eine wärmeisolierende Schicht, und die Verbrennungstemperatur um die Wandfläche der Brennkammer fällt ab, wodurch der Kühlverlust verringert werden kann.The main injection is performed by injecting the fuel into the cylinder for a period ranging from the last stage of the compression stroke to the initial stage of the power stroke. Since the fuel is injected late, the fuel spray concentrates toward a central portion of the combustion chamber. The main injection injects a relatively large amount of fuel. In this way, at a time when the air-fuel mixture ignites, an air-fuel mixture layer and a relatively lean gas layer surrounding the air-fuel mixture layer are formed in the combustion chamber. When the air-fuel mixture layer ignites spontaneously in this state, the surrounding gas layer acts as a heat-insulating layer, and the combustion temperature around the wall surface of the combustion chamber falls, whereby cooling loss can be reduced.
Der durch die Voreinspritzung in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff wird mit Druck und Temperatur beaufschlagt, welche schrittweise ansteigen, wenn der Verdichtungstakt voranschreitet, was in manchen Fällen während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidations-Reaktion hervorruft. Wie vorliegend verwendet bezeichnet die „Teiloxidationsreaktion“ eine Situation, bei der der Kraftstoff eine nur unzureichende thermische Flammreaktion zeigt, jedoch stattdessen eine Oxidationsreaktion hervorruft. Obgleich die Menge an durch die Teiloxidation erzeugter Wärme kleiner ist als in dem Fall einer vollständigen Oxidationsreaktion, verursacht sie dennoch einen Temperarturanstieg im Zylinder. Daher wird der während der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff danach spontan zünden, ohne dass ihm eine ausreichend lange Zündzeitverzögerung gewährt wird, sobald der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion hervorgerufen hat.The fuel injected into the cylinder by the pilot injection is subjected to a pressure and temperature which gradually increase as the compression stroke progresses, causing a partial oxidation reaction in some cases during the second half of the compression stroke. As used herein, the "partial oxidation reaction" refers to a situation where the fuel exhibits an insufficient thermal flame response but instead causes an oxidation reaction. Although the amount of heat generated by the partial oxidation is smaller than in the case of a complete oxidation reaction, it still causes an in-cylinder temperature rise. Therefore, once the fuel injected by the pilot injection has caused the partial oxidation reaction, the fuel injected during the main injection will spontaneously ignite thereafter without being given a sufficiently long ignition timing delay.
Gemäß der obenstehend-beschriebenen Ausgestaltung bestimmt die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht, und wenn die Antwort JA lautet, führt sie eine Zwischen-Einspritzung zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung durch. Die Zwischen-Einspritzung wird vor dem Eintreten einer Niedrigtemperatur-Oxidationsreaktion durchgeführt. Die latente Hitze der Verdampfung des durch die Zwischen-Einspritzung in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs senkt die Temperatur in dem Zylinder, und verhindert somit im Wesentlichen das Eintreten der Teiloxidationsreaktion. Geeigneterweise wird die Zwischen-Einspritzung zu einem Zeitpunkt durchgeführt, bevor die Teiloxidationsreaktion eintritt. Dies ermöglicht es der Funktion zur Zwischen-Einspritzung, welche die Temperatur in dem Zylinder mit der latenten Wärme der Verdampfung senkt, das Eintreten der Teiloxidationsreaktion wirksam zu verhindern.According to the above-described embodiment, the fuel injection control unit determines whether or not a partial oxidation reaction will occur, and when the answer is YES, performs an intermediate injection between the pilot injection and the main injection. The intermediate injection is performed before a low-temperature oxidation reaction occurs. The latent heat of vaporization of the fuel injected into the cylinder by the intermediate injection lowers the temperature in the cylinder, thus substantially preventing the partial oxidation reaction from occurring. Suitably, the intermediate injection is performed at a time before the partial oxidation reaction occurs. This enables the intermediate injection function, which lowers the temperature in the vaporization latent heat cylinder, to effectively prevent the partial oxidation reaction from occurring.
Auch könnte die Zwischen-Einspritzung die Funktion zur Unterbindung des Eintretens der Teiloxidation nicht vollständig durchführen, wenn die Zwischen-Einspritzung zu früh durchgeführt würde. Ferner könnte der durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzte Kraftstoff auch die Teiloxidationsreaktion hervorrufen. Die Zwischen-Einspritzung wird somit zu einem solchen Zeitpunkt durchgeführt, der es dem durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, spontan während oder nachdem der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff spontan gezündet hat, zu zünden. Dies verhindert im Wesentlichen, dass der durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzte Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion verursacht.Also, if the intermediate injection is performed too early, the intermediate injection could not fully perform the function of suppressing the occurrence of the partial oxidation. Further, the fuel injected by the intermediate injection could also cause the partial oxidation reaction. The intermediate injection is thus performed at such a timing that allows the fuel injected by the intermediate injection to ignite spontaneously during or after the fuel injected by the main injection spontaneously ignites. This substantially prevents the fuel injected by the intermediate injection from causing the partial oxidation reaction.
Auf diese Weise gewährt das Verhindern der Teiloxidationsreaktion ab dem Eintreten während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts dem durch die Haupteinspritzung in den Zylinder eingespritzten Kraftstoff eine ausreichende Zündzeitverzögerung, was es ermöglicht, die Entstehung von Rauch oder den Anstieg der CO-Emission zu verhindern.In this way, preventing the partial oxidation reaction from occurring during the second half of the compression stroke gives the fuel injected into the cylinder by the main injection a sufficient ignition timing delay, making it possible to prevent the generation of smoke or the increase in CO emission.
Der Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kann auf Grundlage eines Drucks in dem Zylinder, einer Temperatur in dem Zylinder und einer Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder bestimmen, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht. Eine Bestimmung, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht kann auf Grundlage dieser Parameter exakt erfolgen. Somit verhindert das Durchführen der Zwischen-Einspritzung, wenn die Teiloxidation eintreten wird, im Wesentlichen das Eintreten der Teiloxidation.The fuel injection control unit may determine whether or not a partial oxidation reaction will occur based on an in-cylinder pressure, an in-cylinder temperature, and an in-cylinder oxygen concentration. A determination as to whether or not a partial oxidation reaction will occur can be accurately made based on these parameters. Thus, performing the intermediate injection when the partial oxidation will occur substantially prevents the partial oxidation from occurring.
Die Zwischen-Einspritzung kann eine kleinere Menge Kraftstoff einspritzen als die Haupteinspritzung.The intermediate injection can inject a smaller amount of fuel than the main injection.
Da die Zwischen-Einspritzung früher beginnt als die Haupteinspritzung sind Temperatur und Druck in dem Zylinder zum Zeitpunkt der Zwischen-Einspritzung noch nicht ausreichend hoch. Somit wird es immer wahrscheinlicher, dass der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffnebel sich länger fortbewegt als erwartet, und möglicherweise mit der Wandfläche der Brennkammer in Kontakt gelangt. Dies ist nachteilig beim Bilden der das Kraftstoff/Luft-Gemisch umgebenden Gasschicht. Aus diesem Grund ist die Menge an durch die Zwischen-Einspritzung eingespritztem Kraftstoff verhältnismäßig gering. Ferner ermöglicht die Verringerung des durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs die Einspritzung von viel Kraftstoff durch die Haupteinspritzung. Dies begünstigt das Motordrehmoment in dem Halb-bis-Volllast-Bereich, in dem die Gesamtmenge an eingespritztem Kraftstoff ansteigt.Since the intermediate injection starts earlier than the main injection, the temperature and pressure in the cylinder are not sufficiently high at the time of the intermediate injection. Thus, it becomes more and more likely that the fuel spray injected into the cylinder will travel longer than expected and possibly come into contact with the wall surface of the combustion chamber. This is disadvantageous when forming the gas layer surrounding the fuel/air mixture. For this reason, the amount of fuel injected by the intermediate injection is relatively small. Furthermore, reducing the fuel injected by the intermediate injection enables injection of much fuel by the main injection. This favors engine torque in the half to full load range where the total amount of fuel injected increases.
Die Haupteinspritzung kann eine mehrstufige Einspritzung sein, die eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfasst, und ein Intervall zwischen einem Ende der Einspritzung der Zwischen-Einspritzung und einem Start der Einspritzung der Haupteinspritzung kann länger sein als ein Intervall zwischen ersten und zweiten Einspritzungen der Haupteinspritzung.The main injection may be multi-stage injection including a plurality of fuel injections, and an interval between an injection end of the intermediate injection and an injection start of the main injection may be longer than an interval between first and second injections of the main injection.
Werden diskrete Einspritzungen durchgeführt, kann der Nebel eines Kraftstoffs, der früher eingespritzt wird, sich mit dem Nebel eines später eingespritzten Kraftstoffs überlagern, was möglicherweise ein lokal übermäßig dichtes Kraftsoff-Luft-Gemisch erzeugt. In diesem Fall wird dies nicht nur zu einem Anstieg der Verbrennungstemperatur führen, sondern auch zu einem Rückgang der Abgasemissionsleistung. Gemäß der obenstehend beschriebenen Ausgestaltung verhindert die ausreichende Verlängerung des Einspritzintervalls zwischen der Zwischen-Einspritzung und der Haupteinspritzung im Wesentlichen, dass der Sprühnebel des durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs sich mit dem Sprühnebel des durch die Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs überlagert. Dies trägt vorteilhafterweise dazu bei, den Kühlverlust zu senken, indem die Verbrennungstemperatur gesenkt wird und im Wesentlichen die Entstehung von Rauch verhindert wird, indem eine lokale Bildung eines übermäßig dichten Kraftstoff/Luft-Gemischs beseitigt wird.When discrete injections are performed, the spray of fuel injected earlier may interfere with the spray of fuel injected later, potentially creating a locally overly dense fuel-air mixture. In this case, it will cause not only an increase in combustion temperature but also a decrease in exhaust emission performance. According to the above In the configuration described above, sufficiently lengthening the injection interval between the intermediate injection and the main injection substantially prevents the spray of fuel injected by the intermediate injection from interfering with the spray of fuel injected by the main injection. This advantageously helps reduce cooling loss by lowering combustion temperature and substantially preventing smoke generation by eliminating local formation of an overly dense fuel/air mixture.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION
Wie der vorgenannten Beschreibung zu entnehmen ist, führt die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für den Motor mit Direkteinspritzung zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine Zwischen-Einspritzung durch, und verhindert somit durch Absenken der Temperatur in dem Zylinder mit der latenten Verdampfungshitze des eingespritzten Kraftstoffs im Wesentlichen das Eintreten einer Teiloxidationsreaktion. Im Ergebnis wird es dem durch die Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, spontan mit einer ausreichend lang gewährten Zündzeitverzögerung zu zünden, was eine Abnahme der Abgasemissionsleistung deutlich verringert.As can be understood from the above description, the fuel injection control device for the direct injection engine performs an intermediate injection between the pilot injection and the main injection, and thus by lowering the temperature in the cylinder with the latent heat of vaporization of the injected fuel, substantially prevents that Occurrence of a partial oxidation reaction. As a result, the fuel injected by the main injection is allowed to ignite spontaneously with a sufficiently long allowance of ignition timing retardation, remarkably reducing a decrease in exhaust emission performance.
Figurenlistecharacter list
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1 veranschaulicht schematisch eine Konfiguration für einen Motor mit Direkteinspritzung.1 FIG. 1 schematically illustrates a configuration for a direct injection engine. -
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Konfiguration einer Brennkammer veranschaulicht.2 12 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of a combustor. -
3 veranschaulicht, wie die effektive Querschnittsfläche der Düsenblende eines sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventils sich mit einer Taktmenge bzw. Hubmenge verändert.3 12 illustrates how the effective cross-sectional area of the orifice orifice of an outwardly opening fuel injector varies with stroke amount. -
4 veranschaulicht ein beispielhaftes Betriebs-Kennfelds, wenn ein Motor warm ist.4 12 illustrates an example operating map when an engine is warm. -
5 veranschaulicht einen Kraftstoffeinspritzmodus in einem Volllast-Bereich.5 illustrates a fuel injection mode in a full load range. -
Die obere Zeichnung von
6 veranschaulicht schematisch in einer Brennkammer gebildete Kraftstoffnebel, wenn in dem Volllast-Bereich eine Voreinspritzung durchgeführt wird und das untere Schaubild von6 zeigt die Verteilung von Temperaturen in der Brennkammer in einer solchen Situation.The drawing above6 schematically illustrates fuel sprays formed in a combustion chamber when pilot injection is performed in the high-load range, and the lower diagram of FIG6 shows the distribution of temperatures in the combustion chamber in such a situation. -
Die obere Zeichnung von
7 veranschaulicht schematisch in der Brennkammer gebildete Kraftstoffnebel an einem oberen Totpunkt in dem Vollast-Bereich und das untere Schaubild von7 zeigt die Verteilung von Temperaturen in der Brennkammer in einer solchen Situation.The drawing above7 FIG. 12 schematically illustrates fuel sprays formed in the combustion chamber at a top dead center in the full load range and the bottom diagram of FIG7 shows the distribution of temperatures in the combustion chamber in such a situation. -
Die obere Zeichnung von
8 veranschaulicht schematisch einen in der Brennkammer gebildeten Kraftstoffnebel, wenn eine Haupteinspritzung in dem Volllast-Bereich abgeschlossen ist und das untere Schaubild von8 veranschaulicht die Temperaturverteilung in der Brennkammer in einer solchen Situation.The drawing above8th FIG. 12 schematically illustrates a fuel spray formed in the combustion chamber when main injection is completed in the high-load range, and the lower diagram of FIG8th illustrates the temperature distribution in the combustion chamber in such a situation. -
9 veranschaulicht einen Kraftstoffeinspritzmodus in einem Halb-bis-Volllastbereich.9 illustrates a fuel injection mode in a half to full load range. -
10 veranschaulicht schematisch eine in der Brennkammer gebildete Kraftstoff/Luft-Gemischschicht in dem Halb-bis-Volllastbereich.10 FIG. 12 schematically illustrates a fuel/air mixture layer formed in the combustion chamber in the half to full load range. -
11 zeigt, wie die Wärmeerzeugungsrate sich in Abhängigkeit dessen, ob eine Zwischen-Einspritzung durchgeführt wird oder nicht, verändert.11 shows how the heat generation rate changes depending on whether intermediate injection is performed or not. -
12 zeigt, wie sich die Zylinderinnentemperatur in Abhängigkeit dessen, ob die Zwischen-Einspritzung durchgeführt wird oder nicht, verändert.12 shows how the in-cylinder temperature changes depending on whether the intermediate injection is performed or not.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Es werden nun Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft.Embodiments will now be described with reference to the accompanying drawings. The following description is only an example.
(Gesamtkonfiguration des Motors)(overall configuration of the engine)
Der Motor 1 umfasst einen Zylinderblock 12 und einen an dem Zylinderblock 12 montierten Zylinderkopf 13. Im Inneren des Zylinderblocks 12 ist eine Vielzahl von Zylindern 11 (von denen in
Bei dieser Ausführungsform ist der Deckenabschnitt 170 der Brennkammer 17 (also die Unterseite des Zylinderkopfs 13) eingerichtet, eine seitliche Ansaugsteigung 171 zu besitzen, die mit einer Öffnung 180 eines Ansauganschlusses 18 versehen ist und einen Aufwärtsgradienten hin zur Mitte des Zylinders 11 besitzt, und eine seitliche Auslasssteigung 172 zu besitzen, die mit einer Öffnung 190 eines Auslassanschlusses 19 versehen ist und die einen Aufwärtsgradienten hin zur Mitte des Zylinders 11 besitzt. Die Brennkammer 17 ist vom sogenannten „Pultdach-Typ“. Der First des Pultdachs kann mit dem Bohrungsmittelpunkt des Zylinders 11 übereinstimmen oder nicht. Wie ebenfalls in
Obgleich in
Jeder der Ansauganschlüsse 18 ist mit einer zugehörigen Ansaugpassage 181 verbunden. Ein Drosselventil 55 zum Steuern der Ansaugströmungsrate ist auf halber Strecke durch die Ansaugpassage 181 vorgesehen. Jeder der Auslassanschlüsse 19 ist mit einer zugehörigen Auslasspassage 191 verbunden. An der Auslasspassage 191 ist ein Abgasreinigungssystem mit einem oder mehr Katalysatoren angeordnet. Jeder der Katalysatoren kann einen Drei-Wege-Katalysator umfassen. Der Katalysator muss jedoch kein Drei-Wege-Katalysator sein.Each of the
Der Zylinderkopf 13 ist mit einem Ansaugventil 21 versehen, das angeordnet ist, um die Ansauganschlüsse 18 von der Brennkammer 17 zu trennen (also die Brennkammer 17 zu schließen). Das Ansaugventil 21 wird durch einen Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus angesteuert. Der Zylinderkopf 13 ist ebenfalls mit einem Auslassventil 22 angeordnet, um in der Lage zu sein, die Auslassanschlüsse 19 von der Brennkammer 17 zu trennen. Das Auslassventil 22 wird durch einen Auslassventil-Ansteuerungsmechanismus angesteuert. Das Ansaugventil 21 und das Auslassventil 22 bewegen sich zu einem vorgegebenen Zeitpunkt reziprok, um jeweils den Ansauganschluss 18 und/oder den Auslassanschluss 19 zu öffnen bzw. zu schließen, und dadurch in dem Zylinder 11 Gase auszutauschen.The
Obgleich nicht dargestellt, umfasst der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus eine Ansaugnockenwelle, die mit der Kurbelwelle 15 wirkverbunden ist. Die Ansaugnockenwelle dreht sich synchron mit der Drehung der Kurbelwelle 15. Obgleich nicht dargestellt umfasst der Auslassventil-Ansteuerungsmechanismus eine Auslassnockenwelle, die mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist. Die Auslass-Nockenwelle dreht sich synchron mit der Drehung der Kurbelwelle 15.Although not shown, the intake valve actuation mechanism includes an intake camshaft operatively connected to the
Bei diesem Beispiel umfasst der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus zumindest einen hydraulischen oder elektrisch-variablen Ventilsteuerungs(VTT)mechanismus 23, der in der Lage ist, die Phase der Ansaugnockenwelle fortwährend innerhalb einer vorgegebenen Winkelspanne zu verändern. Der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus kann ferner einen VVT-Mechanismus umfassen, der in der Lage ist, den Ventilhubbetrag sowie den VVT-Mechanismus 23 zu verändern.In this example, the intake valve actuation mechanism includes at least one hydraulic or electrically variable valve timing (VTT)
Bei diesem Beispiel umfasst der Auslassventil-Ansteuerungsmechanismus einen hydraulischen und/oder elektrisch-variablen Ventilsteuerungs-Mechanismus VVT 24, der in der Lage ist, die Phase der Auslassnockenwelle fortwährend innerhalb einer vorgegebenen Winkelspanne zu verändern. Der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus kann ferner einen variablen Ventilhubmechanismus umfassen, der in der Lage ist, den Ventilhubbetrag sowie den VVT-Mechanismus 24 zu verändern.In this example, the exhaust valve actuation mechanism includes a hydraulic and/or electrically variable valve
Der variable Ventilhubmechanismus kann auch ein durchgehender, variabler Ventilhubmechanismus (CVVL) sein, der in der Lage ist, den Ventilhubbetrag fortwährend zu verändern. Es sei angemerkt, dass der Ventilansteuerungsmechanismus zum Ansteuern des Ansaugventils 21 und des Auslassventils 22 auch eine andere Art Ansteuerungsmechanismus sein kann, wie beispielsweise ein hydraulischer oder elektromagnetischer Ansteuerungsmechanismus.The variable valve lift mechanism may also be a continuous variable valve lift mechanism (CVVL) capable of continuously changing the valve lift amount. It should be noted that the valve actuation mechanism for driving the
Wie in
Die Kavität 163 des Kolbens 16 ist angeordnet, um dem Kraftstoffeinspritzventil 6 zugewandt zu sein. Das Kraftstoffeinspritzventil 6 spritzt den Kraftstoff in die Kavität 163 ein.The
Bei diesem Beispiel ist das Kraftstoffeinspritzventil 6 ein sich nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil. Das sich nach außen öffnende Kraftstoffeinspritzventil 6 besitzt einen Düsenkörper 60 mit einer Düsenblende 61 durch die der Kraftstoff eingespritzt wird, und ein sich nach außen öffnendes Ventil 62, das die Düsenblende 61 öffnet und schließt, die in
Der Düsenkörper 60 ist als ein röhrenförmiges Glied derart gebildet, dass Kraftstoff durch das Innere des Düsenkörpers 60 strömt. Die Düsenöffnung 61 ist an dem Ende der Spitze des Düsenkörpers 60 vorgesehen. Die Düsenblende 61 ist derart verjüngt, dass der Durchmesser schrittweise in Richtung der Spitze zunimmt.The
Das sich nach außen öffnende öffnende Ventil 62 besitzt einen Ventilkörper 63, der zur Außenseite des Ventilkörpers 60 an der Spitze des Düsenkörpers 60 freilegt, und einen Verbindungsabschnitt 64, der sich von dem Ventilkörper 63 erstreckt, durch den Düsenkörper 60 erstreckt und mit einem (nicht gezeigten) piezoelektrischen Element verbunden ist. Der Ventilkörper 63 umfasst einen Sitzabschnitt 65, der im Wesentlichen die gleiche Form besitzt die die verjüngte Düsenöffnung 61. Es gibt einen Abschnitt 66 verringerten Durchmessers, zwischen dem Sitzabschnitt 65 und dem Verbindungsabschnitt 64 des Ventilkörpers 63. Wie in
Wie durch die Zweipunktlinie in
Sobald die an das piezoelektrische Element angelegte Spannung zunimmt, nimmt die Hubmenge des sich nach außen öffnenden Ventils 62 aus dem Zustand, in dem die Düsenöffnung 61 geschlossen wird, zu. Wie aus
Auch wird angenommen, dass der Kraftstoffdruck konstant ist je breiter die effektive Querschnittsfläche ist, desto geringer wird die erreichte Einspritzrate. Hingegen nimmt die Einspritzrate zu, wenn sich die effektive Querschnittsfläche vergrößert. Wird die effektive Querschnittsfläche jedoch zu klein, wird die Wirkung der durch die Wandfläche der Einspritzöffnung verursachte Reibwiderstand auf den Kraftstoff so deutlich, dass die Einspritzrate niedrig wird. Somit gibt es einen Hubbetrag, zu dem die Kraftstoffeinspritzrate maximal wird. Die Kraftstoffeinspritzrate fällt ab, unabhängig davon ob die Hubmenge größer oder kleiner ist als die Maximalrate des Hubbetrags. Es sei angemerkt, dass dieser maximale Hubbetrag verhältnismäßig klein ist.Also, it is assumed that the fuel pressure is constant, the wider the effective cross-sectional area, the smaller the obtained becomes injection rate. On the other hand, the injection rate increases as the effective cross-sectional area increases. However, if the effective cross-sectional area becomes too small, the effect on the fuel of the frictional resistance caused by the wall surface of the injection hole becomes so remarkable that the injection rate becomes low. Thus, there is a lift amount at which the fuel injection rate becomes maximum. The fuel injection rate drops regardless of whether the lift amount is larger or smaller than the maximum rate of the lift amount. It should be noted that this maximum lift amount is relatively small.
Wie in
Ein Kraftstoffzufuhrsystem 57 umfasst eine elektrische Schaltung zum Ansteuern des sich nach außen öffnenden Ventils 62 und ein Kraftstoffzufuhrsystem, das den Kraftstoff an das Kraftstoffeinspritzventil 6 zuführt. Der Motor-Controller 100 gibt zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ein Einspritzsignal mit einer dem Hubbetrag entsprechenden Spannung an die elektrische Schaltung aus, und betreibt somit über die elektrische Schaltung das sich nach außen öffnende Ventil 62, so dass eine gewünschte Menge des Kraftstoffs in den Zylinder eingespritzt wird. Wird das Einspritzsignal nicht ausgegeben (also wenn das Einspritzsignal eine Spannung von null besitzt), wird die Düsenöffnung 61 durch das sich nach außen öffnende Ventil 62 geschlossen. Auf diese Weise wird der Betrieb des piezoelektrischen Elements durch das Einspritzsignal von dem Motor-Controller 100 gesteuert. Der Motor-Controller 100 steuert den Betrieb des piezoelektrischen Elements und steuert dadurch die Einspritzung des Kraftstoffs durch die Düsenöffnung 61 des Kraftstoffeinspritzventils 6 und den Hubbetrag zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung. Da das piezoelektrische Element leicht ansprechbar ist, können mehrstufige Einspritzungen durchgeführt werden, beispielsweise können in 1 bis 2 Millisekunden etwa zwanzig Einspritzungen durchgeführt werden. Die Einrichtungen zum Betreiben des sich nach außen öffnenden Ventils 62 sind jedoch nicht auf ein piezoelektrisches Element beschränkt.A
Wenngleich nicht gezeigt, ist das Kraftstoffzufuhrsystem mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe und einem Common Rail versehen. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe führt den Kraftstoff, der aus einem Kraftstofftank durch eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe zugeführt wurde, unter Druck an das Common Rail zu, welches den unter Druck zugeführten Kraftstoff bei einem vorgegebenen Kraftstoffdruck speichert. Dann wird das Kraftstoffeinspritzventil 6 betrieben (also das sich nach außen öffnende Ventil 62 wird angehoben) um den in dem Common Rail gespeicherten Kraftstoff durch die Düsenöffnung 61 einzuspritzen. Eine Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung weist den Motor-Controller 100 und das Kraftstoffeinspritzventil 6 auf.Although not shown, the fuel supply system is provided with a high-pressure fuel pump and a common rail. The high-pressure fuel pump pressure-feeds the fuel that has been fed from a fuel tank by a low-pressure fuel pump to the common rail, which stores the pressure-fed fuel at a predetermined fuel pressure. Then, the
Wie später detailliert beschrieben wird, ist die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung derart eingerichtet, dass eine (verbrennbare) Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und eine die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht umgebende wärmeisolierende Gasschicht in der Brennkammer 17 gebildet werden können (also in der Kavität 163), wie schematisch in
Dieser Motor 1 ist eingerichtet, um quasi im gesamten Betriebsspektrum, das in dem Zylinder 11 gebildete Kraftstoff/Luft-Gemisch durch Kompressionszündung (also durch gesteuerte Selbstzündung, (eng. CAI)) zu verbrennen. Der Motor 1 umfasst ein Zündungsassistenzsystem 56 um das Kraftstoff/Luft-Gemisch bei Zündung in einer vorgegebenen Umgebung beim Zünden zu unterstützen. Das Zündungsassistenzsystem 56 kann beispielsweise eine Entladungskerze sein, die der Brennkammer 17 zugewandt angeordnet ist. Mit anderen Worten ermöglicht das Anlegen von gesteuerten Impulsen einer hohen Spannung an der Elektrode der Entladungskerze, eine extrem kurze Pulsentladung in der Brennkammer 17 zu erzeugen, dass eine Stromentladung in der Brennkammer erzeugt wird, wodurch Ozon in dem Zylinder entsteht. Das Ozon unterstützt die CAI. Es sei angemerkt, dass das Zündungsassistenzsystem nicht als Entladungskerze zur Erzeugung von Ozon ausgebildet sein muss, sondern auch eine „Spur“-Kerze zur Unterstützung der CAI sein kann, indem durch eine Funkenentladung Energie auf das Kraftstoff/Luft-Gemisch aufgebracht wird.This
Der Motor 1 beinhaltet ferner ein AGR-System 512, welches eingerichtet ist, ein verbranntes Gas wieder in den Zylinder 11 einzubringen. Das AGR-System 512 beinhaltet sowohl ein äußeres AGR-System zur Wiedereinbringung des verbrannten Gases in den Zylinder 11 durch eine AGR-Passage, die den Auspuff und die Ansaugpassagen 191 und 181 des Motors 1 verbindet, als auch ein internes AGR-System, um es einem Teil des verbrannten Gases in dem Zylinder 11 zu ermöglichen, im Wesentlichen in dem Zylinder 11 zu verbleiben.The
Der Motor-Controller 100 ist ein Controller, der einen aus dem Stand der Technik bekannten Mikrocomputer als Grundelement beinhaltet. Der Motor-Controller 100 beinhaltet eine CPU (Hauptprozessor), die Programme ausführt, einen Speicher, der beispielsweise als RAM oder ROM eingerichtet ist und Programme und Daten speichert, und einen I/O-Bus, der elektrische Signale ein- und ausgibt.The
Der Motor-Controller 100 empfängt zumindest ein Signal, das die Strömungsrate von Ansaugluft von einem Luftmassenmesser 51 angibt, ein Kurbelwellenwinkel-Impulssignal von einem Kurbelwellenwinkelsensor 52, ein Gaspedal-Öffnungssignal von einem Gaspedal-Öffnungssensor 53, der den Grad des Herunterdrückens des Gaspedals erfasst, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 54, das Signal Kühlwassertemperatur des Motors 1 von einem Wassertemperatursensor 58, ein Ansaugtemperatursignal von einem Ansaugtemperatursensor 59, ein Ansaugdrucksignal von einem Ansaugdrucksensor 510 und ein Sauerstoffkonzentration-im-Abgas-Signal von einem linearen Sauerstoffsensor 511. Auf Grundlage dieser Eingangssignale berechnet der Motor-Controller 100 Parameter zur Steuerung des Motors 1, etwa ein Soll-Drosselöffnungssignal, Kraftstoffeinspritzimpuls, Zündungsassistenzsignal, und Ventilphasenwinkelsignal. Dann gibt der Motor-Controller 100 diese Signale an das Drosselventil 55 (insbesondere einen Drosselaktuator, der das Drosselventil 55 bedient), den VVT-Mechanismus 23, 24, das Kraftstoffzufuhrsystem 57, das Zündungsassistenzassistenzsystem 56, das AGR-System 510, und so weiter aus.The
Das geometrische Verdichtungsverhältnis ε des Motors 1 soll größer gleich 15 sein, wie oben beschrieben. Das geometrische Verdichtungsverhältnis kann kleiner gleich 40 sein, und liegt geeigneterweise im Bereich von 20 bis 35. Der Motor 1 ist eingerichtet, ein Expansionsverhältnis zu haben, das mit zunehmenden Verdichtungsverhältnis ansteigt. Somit hat der Motor 1 ein hohes Verdichtungsverhältnis und gleichzeitig ein vergleichsweise hohes Expansionsverhältnis. Ein hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis stabilisiert die CAI-Verbrennung.The geometric compression ratio ε of the
Die Brennkammer 17 wird durch die Innenwandfläche des Zylinders 11, die Oberseite 160 des Kolbens 16, die Unterseite (also die Deckenfläche 170) des Zylinderkopfs 13 und die jeweiligen Ventilkopfflächen des Ansaugventils 21 und des Auslassventils 22 gebildet. Wärmeabschirmungsschichten werden jeweils an den obengenannten Flächen vorgesehen, um den Kühlverlust zu verringern. Dies isoliert die Brennkammer 17 von Hitze. Die Wärmeabschirmungsschichten können an allen oder einem Teil der definierenden Flächen vorgesehen sein. Ferner kann die Wärmeabschirmungsschicht auch an den Wandflächen der Ansaugöffnung 18 und der Abgasöffnung 19 nahe der Öffnungen an dem Deckenabschnitt 170 der Brennkammer 17 vorgesehen sein, obgleich solche Wandflächen nicht diejenigen Wandflächen sind, welche die Brennkammer 17 unmittelbar definieren.The
Diese Wärmeabschirmungsschichten sind ausgestaltet, um eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Grundmetallglied zu haben, welches die Brennkammer 17 bildet, um im Wesentlichen zu verhindern, dass die Wärme des Verbrennungsgases in der Brennkammer 17 durch die definierenden Flächen abgeführt wird.These heat shield layers are designed to have lower thermal conductivity than the base metal member forming the
Die Wärmeabschirmungsschichten haben geeigneterweise eine geringere spezifische volumetrische Wärme als die Grundglieder, um den Kühlverlust zu verringern. Mit anderen Worten ist es deshalb vorteilhaft, die thermische Kapazität der Wärmeabschirmungsschichten zu verringern, so dass die Temperatur der die Brennkammer 17 definierenden Flächen sich gemäß der Änderung in der Gastemperatur in der Brennkammer 17 ändert.The heat shield layers suitably have a lower specific volumetric heat than the base members to reduce cooling loss. In other words, it is therefore advantageous to reduce the thermal capacity of the heat shield layers so that the temperature of the surfaces defining the
Die Wärmeabschirmungsschichten können gebildet werden, indem ein Grundglied mit einem keramischen Material wie beispielsweise ZrO2 durch Plasma-Spritzbeschichtung beschichtet wird. Das keramische Material kann eine große Anzahl von Poren haben. Dies ermöglicht es, dass die thermische Leitfähigkeit und die volumetrische spezifische Wärme der Wärmeabschirmungsschichten weiter verringert werden.The heat shield layers can be formed by coating a base member with a ceramic material such as ZrO 2 by plasma spray coating. The ceramic material can have a large number of pores. This allows the thermal conductivity and volumetric specific heat of the heat shield layers to be further reduced.
Gemäß dieser Ausführungsformen ermöglichen nicht nur das Übernehmen der Wärmeabschirmungsstruktur für die Brennkammer, sondern auch das Bilden einer wärmeisolierenden Gasschicht in der Brennkammer 17, während der Motor 1 warm ist (also eine Temperatur größer gleich einer vorgegebenen Temperatur hat), dass der Kühlverlust deutlich verringert werden kann.According to these embodiments, not only adopting the heat shield structure for the combustion chamber but also forming a heat-insulating gas layer in the
Insbesondere das Einspritzen des Kraftstoffs durch das Spitzenende der Einspritzdüse der Kraftstoffeinspritzungsventils 6 in den Hohlraum 163 bei oder nach dem Verdichtungstakt derart, dass eine Gasschicht beinhaltend frische Luft in einem Randbereich innerhalb der Brennkammer 17 gebildet wird und eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht in dem Zentralbereich der Kammer gebildet wird, ermöglicht die Implementierung einer Schichtstruktur, bei der die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht in dem Zentralbereich innerhalb des Hohlraums 163 in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils 6 gebildet wird und eine wärmeisolierende Gasschicht beinhaltend frische Luft gebildet wird, um die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht wie in
Die wärmeisolierende Gasschicht kann im Wesentlichen aus frischer Luft bestehen oder zusätzlich ein verbranntes Gas (also ein AGR-Gas) sowie frische Luft beinhalten. Es gibt kein Problem, selbst wenn die wärmeisolierende Gasschicht eine geringe Menge des Kraftstoffs beinhaltet. Eher muss die wärmeisolierende Gasschicht magerer sein als die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht, um als eine wärmeisolierende Schicht zu wirken. Wie später beschrieben werden wird, wenn die Last an dem Motor 1 ansteigt, um die Menge an eingespritztem Kraftstoff zu erhöhen, wird die wärmeisolierende Gasschicht eine Schicht sein, die eine kleine Menge des Kraftstoffs umfasst, wird aber immer noch magerer an Kraftstoff sein als es die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht ist.The heat-insulating gas layer may consist mainly of fresh air, or may additionally include a burnt gas (ie, an EGR gas) and fresh air. There is no problem even if the heat-insulating gas layer contains a small amount of the fuel. Rather, the heat-insulating gas layer needs to be leaner than the air-fuel mixture layer to function as a heat-insulating layer. As will be described later, when the load on the
Wenn das Kraftstoff/Luft-Gemisch CAI-Verbrennung in einem Zustand erzeugt, bei dem eine wärmeisolierende Gasschicht und eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht wie in
Es sei angemerkt, dass das ledigliche Verringern des Kühlverlusts ermöglichen kann, dass sich die Abnahme des Kühlverlusts in einen Abgasverlust wandelt, was nicht auf besondere Weise zur Verbesserung des angegebenen Wärmewirkungsgrads beiträgt. Jedoch wandelt dieser Motor 1 die Energie des Verbrennungsgases, entsprechend der Abnahme in dem Kühlverlust, effizient in mechanische Arbeit um, indem das Expansionsverhältnis, das mit der Zunahme in dem Verdichtungsverhältnis einhergeht, erhöht wird. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass der Motor 1 den angegeben Wärmewirkungsgrad deutlich verbessert, indem eine Ausgestaltung zur Verringerung sowohl des Kühlverlusts als auch des Abgasverlusts ausgeführt wird.It should be noted that merely reducing the cooling loss may allow the cooling loss decrease to be converted into an exhaust gas loss, which does not particularly contribute to the improvement of the specified thermal efficiency. However, this
Um eine solche Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und eine solche wärmeisolierende Gasschicht in der Brennkammer 17 zu bilden, ist der Gasfluss innerhalb der Brennkammer 17 auf geeignete Weise zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung schwach. Zu diesem Zweck sind die Ansaugöffnungen eingerichtet, eine gerade Form zu haben, welche die Entstehung eines Wirbels innerhalb der Brennkammer 17 entweder verhindert oder deutlich verringert und um die Tumble-Strömung so schwach wie möglich zu halten.In order to form such an air-fuel mixture layer and such a heat-insulating gas layer in the
(Details der Kraftstoffeinspritzungssteuerung)(Details of Fuel Injection Control)
Der Leicht-bis-Halblastbereich A ist ein Bereich, in dem die Last an dem Motor 1 die Schwächste ist. Da die Last die schwächste ist, wird die Menge an eingespritztem Kraftstoff die Kleinste. In diesem Leicht-bis-Halblastbereich A wird eine CAI-Verbrennung mit einem Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und einer wärmeisolierenden Gasschicht durchgeführt, umfassend im Wesentlichen keinen Kraftstoff, der wie obenstehend beschrieben in der Brennkammer 17 gebildet wurde. Gleichwohl nicht dargestellt spritzt das Kraftstoffeinspritzventil 6 den Kraftstoff während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts in den Zylinder 11 ein. Der Kraftstoff kann entweder nur einmal oder mehrere Male eingespritzt wurden. Das Einspritzen des Kraftstoffs während dem Verbrennungstakt-Zeitraum, bei der der Druck und die Temperatur in dem Zylinder 11 im Wesentlichen hoch werden, verhindert im Wesentlichen, dass der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffnebel sich länger fortbewegt als erwartet. Somit kann in dem Zentralbereich der Brennkammer 17 eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht gebildet werden und eine wärmeisolierende Gasschicht kann um die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht gebildet werden. Die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht zündet spontan in der Umgebung des oberen Verdichtungstotpunkts. Es sei angemerkt, dass in diesem Leicht-bis-Halblastbereich A ein Teil des verbrannten Gases durch das AGR-System 512 in den Zylinder 11 eingeleitet wird.The light to half load range A is a range where the load on the
Der Volllastbereich C ist ein Bereich, in dem die Last an dem Motor 1 die Stärkste ist. Da die Last die Stärkste ist, wird die Menge des eingespritzten Kraftstoffs die Größte. Es dem Kraftstoff zu ermöglichen, spontan in dem Volllastbereich C zu zünden, würde es dem Druck ermöglichen, so steil währen der Verbrennung anzusteigen, dass der Verbrennungsgeräuschpegel ansteigt. Somit wird in dem Volllastbereich C der Zündzeitpunkt verzögert bis hin zu einem vorgegeben Zeitpunkt während dem Arbeitstakts, was dazu führt, dass sich der Zündzeitpunkt mit einem Zeitpunkt überschneidet, wenn die Druckrate während dem Betrieb des Motors den negativen Maximalwert erreicht. Dies verringert die Druckanstiegsrate während der Verbrennung und senkt den Verbrennungsgeräuschpegel.The full load range C is a range where the load on the
Jedoch fällt die Temperatur in dem Zylinder 11 ab, wenn der Arbeitstakt voranschreitet. Somit würde ein zu starkes Verzögern des Zündzeitpunkts ein unbeabsichtigtes Feuer verursachen. Insbesondere besitzt dieser Motor 1 ein so hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis, dass die Temperatur in dem Zylinder 11 während dem Arbeitstakt schnell abfällt. Daher ist es schwierig, den Zündzeitpunkt bis zu einem Punkt zu verzögern, an dem der Verbrennungsgeräuschpegel ausreichend verringert werden kann.However, the temperature in the
Somit führt der Motor in diesem Volllastbereich C zwei Kraftstoffeinspritzungen durch, nämlich eine Voreinspritzung 71 und eine Haupteinspritzung 72 nach der Voreinspritzung 71, führt also diskrete Einspritzungen durch, wie dies in
In dem Volllastbereich C stoppt der Motor-Controller 100 den Rückfluss des AGR-Gases. Der Motor-Controller 100 stoppt den Rückfluss des AGR-Gases, da die benötigte Last in dem Vollastbereich C so stark ist, dass ein Luftvolumen, das der Volllast entspricht, benötigt wird.In the full load range C, the
Außerdem führt der Motor-Controller 100 Steuerung derart durch, dass der Überschussluftfaktor λ größer kleiner gleich einem in dem Vollastbereich C wird. Es wird nun der Kraftstoffeinspritzmodus in dem Vollastbereich detailliert beschrieben.In addition, the
Die Voreinspritzung 71 wird, vor der mittleren Stufe des Verdichtungstakts durchgeführt. Insbesondere wird die Voreinspritzung 71 durchgeführt, nachdem das Ansaugventil 21 des Motors 1 während dem Verdichtungstakt geschlossen wurde. Die Voreinspritzung 71 kann beispielsweise zu einem solchen Zeitpunkt erfolgen, der es der Voreinspritzung ermöglicht, bei 120-190 Grad vor dem oberen Verdichtungstotpunkt zu enden.The
Die Voreinspritzung 71 setzt sich aus einer vorgegebenen Anzahl (zum Beispiel zwei in dem Beispiel in
Außerdem verringert der längere Abstand zwischen den Einspritzungen den Unterdruck in der Umgebung der Einspritzachse 6 des Kraftstoffeinspritzventils 6. Der Strom des Sprühnebels, der in der Brennkammer 17 durch die Einspritzung des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzventil 6 gebildet wird, wird die Umgebungsluft einholen (oder ein Gas beinhaltend die Luft). Es ist jedoch für die Luft schwierig, in den Sprühnebel des Kraftstoffs zu gelangen, der durch das Ende der Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 6 in eine Hohlkegelform eingespritzt wurde. Ist das Intervall zwischen den Einspritzungen eng, verlangsamt sich die Wiederherstellung des Unterdrucks in der Umgebung der Einspritzachse S, und daher nimmt der Unterdruck zu. Ist das Intervall zwischen den Einspritzungen hingegen weit, wird die Wiederherstellung des Unterdrucks in der Umgebung der Einspritzachse S beschleunigt, und daher nimmt der Unterdruck ab.In addition, the longer interval between injections reduces the negative pressure in the vicinity of the
Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs besitzt eine größere Partikelgröße, einen größeren Impuls und einen geringeren Unterdruck. Somit wird der Sprühnebel nicht leicht hin zu dem Unterdruck gezogen. Im Ergebnis breitet sich der Kraftstoffnebel bezüglich der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 als seine Mittelachse großflächig radial nach außen aus und legt eine verhältnismäßig lange Strecke zurück. Zu einem Zeitpunkt, wenn der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Kraftstoffnebel eine Teiloxidation verursacht, hat der Kraftstoffnebel einen radialen (also in der Radialrichtung des Zylinders 11) Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 erreicht. Vorliegend bezeichnet der „radiale Umfangsbereich eines Zylinders“ den äußeren Bereich, wenn der Zylinder radial in zwei Bereiche bei halbem Maximaldurchmesser geteilt wird, wie beispielsweise in
In diesem Fall wird die Voreinspritzung 71 durchgeführt, nachdem das Ansaugventil 21 wie obenstehend beschrieben geschlossen wurde. Somit hat sich der Strom der Ansaugluft bereits in gewissem Ausmaß eingependelt, und daher hat der Strom des Kraftstoffs, der den radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 erreicht hat, die Neigung, dort zu verbleiben.In this case, the
Die Menge des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs wird dahingehend festgelegt, eine Menge zu sein, die durch ein solches Kraftstoff/Luft-Verhältnis definiert ist, bei dem der Kraftstoff eine Teiloxidationsreaktion hervorruft. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis, bei dem der Kraftstoff eine Teiloxidationsreaktion hervorruft, kann ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis sein, zu dem der Überschussluftfaktor λ größer gleich 8 wird. Das Festlegen des Überschussluftfaktors λ dahingehend, größer gleich 8 zu sein, verringert die Reaktion bei der es CO in dem Kraftstoff ermöglicht wird, in CO2 umgewandelt zu werden. Das soll heißen, dass der Kraftstoff eine Oxidationsreaktion hervorruft, jedoch nur eine unzureichende thermale Flammreaktion hervorruft.The amount of fuel injected by the
Unterdessen kann die Haupteinspritzung 72 durchgeführt werden, um zu einem Zeitpunkt vor dem oberen Verdichtungstotpunkt zu beginnen, und zu einem Zeitpunkt nach dem oberen Verdichtungstotpunkt zu enden. Insbesondere kann der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung 72 dahingehend festgelegt werden, ein solcher Zeitpunkt zu sein, der es dem Kraftstoff ermöglicht, zu einem vorgegebenen verzögerten Zeitraum des Arbeitstakts zu zünden. Vorliegend bezeichnet der „vorgegebene verzögerte Zeitraum“ einen Verbrennungszeitraum, der sich mit einem Zeitpunkt überschneidet, bei dem die Druckanstiegsrate in dem Zylinder 11 während des Betriebs des Motors einen negativen Maximalwert erreicht.Meanwhile, the
Die Haupteinspritzung 72 weist eine vorgegebene Anzahl (beispielsweise sechs in dem in
Die Haupteinspritzung 72 ist eine Einspritzung, um eine Hauptverbrennung (also eine Verbrennung, die die größte Menge Wärme in einem Takt erzeugt) zu erzeugen, die ein Motordrehmoment erzeugt. Somit ist ihre Kraftstoffmenge dahingehend festgelegt, eine bezüglich dem erforderlichen Drehmoment angemessen bestimmte Menge zu sein. Beispielsweise werden bei der Haupteinspritzung 72 zumindest ¾ der Kraftstoff-Gesamtmenge eingespritzt, was die Summe der durch die Voreinspritzung 71 und der des durch den durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs ist.The
Zunächst wird beschrieben, wie das durch die oben beschriebene Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 zu verbrennen ist.First, how to combust by the
Die Voreinspritzung 71 wird während dem Verdichtungstakt durchgeführt, wie durch die obere Zeichnung in
Danach, sobald der Verdichtungstakt fortschreitet, steigt die Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemischs umfassend den durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffnebel mit der Verdichtung an.Thereafter, as the compression stroke progresses, the temperature of the air-fuel mixture including the fuel spray injected by the
Im Anschluss daran beginnt die Haupteinspritzung 72 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt vor dem oberen Verdichtungstotpunkt. Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs geht, wie oben beschrieben, konzentriert hin zum radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17 (siehe obere Zeichnung aus
Unterdessen verbleibt der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs in dem radialen Umfangsabschnitt 17b. Sobald die Zylinderinnentemperatur mit dem Verdichtungstakt ansteigt, wird der Kraftstoffnebel bald eine Oxidationsreaktion hervorrufen. Diese Oxidationsreaktion kann zum Beispiel in der Umgebung des oberen Verdichtungstotpunkt hervorgerufen werden. Jedoch ist der durch die Oxidationsreaktion hervorgerufene Temperaturanstieg nicht so deutlich, da diese Oxidationsreaktion eine Teiloxidationsreaktion ist. Ferner wird diese Teiloxidationsreaktion hauptsächlich in dem radialen Umfangsabschnitt 17b der Brennkammer 17 verursacht. Darum steigt die Zylinderinnentemperatur in dem radialen Umfangsbereich 17b steil an, wie in dem unteren Schaubild aus
Es sei angemerkt, dass dadurch, dass der Rückstrom des AGR-Gases in dem Vollastbereich gestoppt wird, die Umgebung innerhalb der Brennkammer 17 sich in einem Zustand befindet, bei dem der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Sprühnebel des Kraftstoffs relativ leicht zu Oxidation neigt.It should be noted that by stopping the reverse flow of the EGR gas in the high-load range, the environment inside the
Unterdessen wird die Haupteinspritzung 72 fortgesetzt, während der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Kraftstoff die Oxidationsreaktion hervorruft, und endet zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem oberen Verdichtungstotpunkt. Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs gelangt konzentriert hin zu dem radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17, die in der oberen Zeichnung aus
Normalerweise gibt es bei einer verzögerten Hauptverbrennung eine zeitliche Begrenzung der Verzögerung. Das bedeutet, dass sobald der Ansaugtakt fortschreitet, die Zylinderinnentemperatur mit einer Volumenzunahme der Brennkammer 17 abfällt. Darum würde eine übermäßige Verzögerung der Hauptverbrennung ein unbeabsichtigtes Feuer verursachen. Je höher das Verdichtungsverhältnis, desto höher die Abnahmerate bei der Zylinderinnentemperatur während dem Ansaugtakt. Somit ist die zulässige Länge der Verzögerung desto kürzer, je höher das Verdichtungsverhältnis ist. Das Aufrechterhalten der Temperatur in dem radial mittigen Bereich 17a, in dem sich der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffnebel verteilt, ermöglicht jedoch durch die Voreinspritzung 71 die zulässige Länge der Hauptverbrennung selbst nach dem oberen Verdichtungstotpunkt zu verlängern.Normally, with a delayed main burn, there is a time limit on the delay. That means that as soon as the As the intake stroke progresses, the in-cylinder temperature drops with an increase in volume of the
Dennoch würde die ausschließliche Anhebung der Zylinderinnentemperatur an oder nach dem oberen Verdichtungstotpunkt es dem durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoff ermöglichen, lokal zu zünden, bevor er sich mit der Luft in der Brennkammer 17 vermischt hat, was möglicherweise Ruß erzeugen würde. Jedoch kann das Induzieren des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffnebels die Oxidationsreaktion in einen anderen Bereich als den, in dem sich der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffnebel verteilt, einen übermäßigen Temperaturanstieg in dem Bereich verhindern, bei dem der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffnebel verteilt wird. In der Folge verhindert dies im Wesentlichen, dass der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoff örtliche Verrußungen hervorruft.However, merely raising the in-cylinder temperature at or after compression top dead center would allow the fuel injected by the
Der somit verzögerte Verbrennungszeitraum der Hauptverbrennung (also ein Zeitraum, in dem der Kraftstoff ein Verbrennungsmassenverhältnis von 10 - 90 % besitzt) überschneidet sich mit einem Zeitpunkt, wenn die Druckanstiegsrate während dem Betrieb des Motors einen negativen Maximalwert erreicht. Alternativ überschneidet sich der Schwerpunkt der somit verzögerten Hauptverbrennung mit einem Zeitraum, bei dem die Brennkammer eine deutliche Unterdruckanstiegsrate besitzt (beispielsweise 10 bis 20 Grad nach dem oberen Verdichtungstotpunkt). Das bedeutet, dass die verzögerte Spontanzündung und Verbrennung in einem Zeitraum stattfindet, bei der die Druckanstiegsrate von Natur aus niedrig ist. Aus diesem Grund hat sich der Maximalwert der Druckanstiegsrate, wenn die Verbrennung als die verzögerte Spontanzündung und Verbrennung verwirklicht ist, verglichen mit dem Maximalwert der Druckanstiegsrate, wenn die Verbrennung als normale Spontanzündung und Verbrennung verwirklicht ist, deutlich verringert. Im Ergebnis wird der Geräuschpegel der Verbrennung (d.h. ein Teil des Geräuschs, Schwingung und Knirschen (englisch NVH)) der verzögerten Spontanzündung und Verbrennung verglichen mit dem Geräuschpegel der Verbrennung einer normalen Spontanzündung und Verbrennung deutlich verringert.The combustion period of the main combustion thus delayed (that is, a period in which the fuel has a combustion mass ratio of 10 - 90%) overlaps with a point in time when the pressure increase rate during the operation of the engine reaches a negative maximum value. Alternatively, the center of gravity of the main combustion thus delayed overlaps with a period in which the combustion chamber has a significant negative pressure rise rate (for example, 10 to 20 degrees after compression top dead center). This means that the delayed spontaneous ignition and combustion takes place in a period where the pressure rise rate is inherently low. For this reason, the maximum value of the pressure increase rate when the combustion is realized as the delayed spontaneous ignition and combustion has remarkably decreased compared to the maximum value of the pressure increase rate when the combustion is realized as the normal spontaneous ignition and combustion. As a result, the combustion noise level (i.e., part of the noise, vibration and crackle (NVH)) of delayed spontaneous ignition and combustion is significantly reduced compared to the combustion noise level of normal spontaneous ignition and combustion.
Es sei angemerkt, dass zum Verringern der Druckanstiegsrate während der Verbrennung die AGR-Menge erhöht werden muss. Das Anheben der AGR-Menge würde jedoch zu einer verringerten Frischluftmenge führen. Im Ergebnis könnte kein ausreichendes Drehmoment sichergestellt werden. Die Größe der Druckanstiegsrate wird insbesondere in einem Volllastbetrieb-Bereich zu einem Problem, in dem ein deutliches Drehmoment erforderlich ist. Hingegen stellt die obengenannte Ausgestaltung eine benötigte Frischluftmenge sicher, wodurch die Erzeugung eines ausreichenden Drehmoments sichergestellt wird.It should be noted that in order to decrease the pressure rise rate during combustion, the EGR amount needs to be increased. However, increasing the amount of EGR would result in a reduced amount of fresh air. As a result, sufficient torque could not be secured. The magnitude of the pressure increase rate becomes a problem particularly in a full load operation range where significant torque is required. On the other hand, the above configuration ensures a required amount of fresh air, thereby ensuring the generation of sufficient torque.
Unter Rückbezug auf das in
In dem Halb-bis Schwerlastbereich B verhindert somit das oben beschriebene, breite Verteilen des Kraftstoffnebels in der Brennkammer unter Aufrechterhaltung der adiabatischen Funktion der Gasschicht oberhalb eines gewissen Ausmaßes im Wesentlichen die Entstehung von Rauch. Insbesondere, wie dies in
In dem Halb- bis Volllastbereich B veranlasst der Motor-Controller 100 das AGR-System 512, das AGR-Gas aus der Abgaspassage 191 in die Ansaugpassage 181 zurückzuströmen. In diesem Halb- bis Volllastbereich B ist das rückzuströmende AGR-Gas ein AGR-Gas, das durch einen AGR-Kühler gekühlt wurde.In the half to full load range B, the
Der Motor-Controller 100 führt eine Steuerung derart durch, dass der Überschussluftfaktor λ durch Rückströmen des AGR-Gases in den Halb- bis Volllastbereich B nahezu gleich 1 wird (d.h. λ ≈ 1). Das Einstellen des Überschussluftfaktors λ ermöglicht es einem Dreiwege-Katalysator, die Abgasreinigungsfunktion durchzuführen. Als nächstes werden die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 in dem Halb- bis-Volllastbereich B detailliert beschrieben.The
Die Voreinspritzung 71 in dem Halb- bis- Volllastbereich B wird vor der mittleren Stufe des Verdichtungstakts durchgeführt. Insbesondere wird die Voreinspritzung 71 durchgeführt, nachdem das Einlassventil 21 des Motors 1 während dem Verdichtungstakt geschlossen wurde. Die Voreinspritzung 71 kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, der derart liegt, dass er es der Kraftstoffeinspritzung ermöglicht, bei 120 bis 90 Grad vor dem oberen Verdichtungstotpunkt zu enden. Alternativ kann die Voreinspritzung 71 auch über einen Zeitraum durchgeführt werden, der von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verdichtungstakts reicht.The
Die Voreinspritzung 71 wird bei einer relativ großen Hubmenge durchgeführt. Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs besitzt eine größere Partikelgröße und einen größeren Impuls. Somit legt der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs eine relativ lange Strecke zurück.The
Ferner, da die Voreinspritzung 71 vor der Haupteinspritzung 72 durchgeführt wird, erreicht der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs den radialen (also in Radialrichtung des Zylinders 11) Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17, wenn die Haupteinspritzung 72 durchgeführt wird (vgl.
In diesem Fall hat sich der Strom der Ansaugluft, wenn die Voreinspritzung 71 durchgeführt wurde, nachdem das Einlassventil 21 wie oben beschrieben geschlossen wurde, bereits zu einem gewissen Grad angesiedelt, und daher neigt der Kraftstoffnebel, der den radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 erreicht hat, dazu, dort zu verbleiben.In this case, when the
Es sei angemerkt, dass die durch die Voreinspritzung eingespritzte Menge an Kraftstoff kleiner ist als die der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Menge.It should be noted that the amount of fuel injected by the pilot injection is smaller than that injected by the
Die Haupteinspritzung 72 kann zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, der derart liegt, dass er es der Einspritzung ermöglicht, vor dem oberen Verdichtungstotpunkt und nach der Voreinspritzung 71 abgeschlossen zu sein. Die Haupteinspritzung 72 kann in einem Zeitraum durchgeführt werden, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts andauert. Die Haupteinspritzung 72 ist eine mehrstufige Einspritzung, die eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorgängen umfasst.The
Insbesondere umfasst die Haupteinspritzung 72 eine erste Gruppe von Einspritzungen 8 und eine zweite Gruppe von Einspritzungen 9. Die erste Gruppe von Einspritzungen 8 setzt sich aus einer vorgegebenen Anzahl (beispielsweise zwei in dem in
Die erste Gruppe von Kraftstoffeinspritzungen 8 bildet einen Sprühnebel des Kraftstoffs mit einer größeren Partikelgröße und besitzt wie obenstehend beschrieben einen ausgedehnten Unterdruckbereich und bildet daher in der Fortbewegungsrichtung einen Sprühnebel des sich über eine verhältnismäßig lange Strecke fortbewegenden und sich in Radialrichtung weit ausgebreiteten Kraftstoffs. Hingegen bildet die zweite Gruppe von Einspritzungen 9 einen Sprühnebel des Kraftstoffs mit einer kleineren Partikelgröße und besitzt einen geschrumpften Unterdruckbereich, und bildet daher einen Sprühnebel des sich in der Fortbewegungsrichtung fortbewegenden und schmal in der Radialrichtung ausgebreiteten Kraftstoffs.The first group of
Im Ergebnis dieser Kraftstoffeinspritzungen durch die erste und zweite Gruppe von Einspritzungen 8 und 9 hat sich der Kraftstoffnebel zum Zeitpunkt der Zündung (also zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem oberen Verdichtungstotpunkt) bereits weitflächig bis zu einem gewissen Ausmaß in der Radialrichtung innerhalb der Brennkammer 17 ausgebreitet.As a result of these fuel injections by the first and second groups of
Insbesondere wird durch die Voreinspritzung 71 zu einem verhältnismäßig frühen Zeitpunkt ein Kraftstoffnebel mit einer verhältnismäßig großen Partikelgröße (also mit einem größeren Impuls) eingespritzt. Somit wird zumindest zu einem Zeitpunkt, zu dem die Voreinspritzung 72 durchgeführt wird, ein Kraftstoff/Luftgemisch gebildet, bei dem der Kraftstoff in dem radialen Umfangsbereich 17b stärker konzentriert ist als in dem radial mittigen Bereich 17a in der Brennkammer 17. In diesem Fall ermöglicht es die Durchführung der Voreinspritzung 71 als einstufige Einspritzung dem Kraftstoffnebel, sich verglichen mit der Durchführung der Voreinspritzung 71 als mehrstufige Einspritzungen über eine längere Strecke fortzubewegen.In particular, a fuel spray with a relatively large particle size (that is, with a larger pulse) is injected by the
Danach wird ein Kraftstoffnebel mit einer verhältnismäßig kleinen Partikelgröße (also mit einem kleineren Impuls) zu einem verhältnismäßig späten Zeitpunkt durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzt, um einen erweiterten Unterdruckbereich zu bilden. Somit wird zumindest zu einem Zeitpunkt der Zündung, in der Brennkammer 17 ein Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet, bei dem der Kraftstoff in dem radial mittigen Bereich 17a eine höhere Konzentration besitzt als in dem radialen Umfangsbereich 17b. In diesem Fall bildet die Kombination der ersten Gruppe von Einspritzungen 8, bei der die Hubmenge des Kraftstoffeinspritzventils 6 dahingehend festgelegt ist, relativ groß zu sein und das Kraftstoffeinspritzintervall bei der zweiten Gruppe von Einspritzungen 9, bei der die Hubmenge dahingehend festgelegt ist, verhältnismäßig klein zu sein, in der Fortbewegungsrichtung einen Kraftstoffnebel des Kraftstoffs, der eine verhältnismäßig lange Strecke in der Fortbewegungsrichtung zurücklegt und sich in der Radialrichtung weit ausbreitet und einen Sprühnebel des Kraftstoffs, der eine verhältnismäßig kurze Stecke in der Fortbewegungsrichtung zurücklegt und sich schmal in der Radialrichtung ausbreitet, was es ermöglicht, dass sich der Kraftstoffnebel weit in dem radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17 ausbreitet.Thereafter, a fuel spray having a relatively small particle size (i.e., having a smaller impulse) is injected at a relatively late timing through the
Es sei angemerkt, dass der Sprühnebel des durch die erste Gruppe von Einspritzungen 8 eingespritzten Kraftstoffs nur eine längere Strecke zurücklegt und sich radial weiter ausbreitet, als der Sprühnebel des durch die zweite Gruppe von Einspritzungen 9 eingespritzten Kraftstoffs. Somit legt der Sprühnebel des durch die erste Gruppe von Einspritzungen 8 eingespritzten Kraftstoffs eine kürzere Strecke zurück und breitet sich radial weniger weit aus als der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs.It should be noted that the spray of fuel injected by the first group of
Wie obenstehend beschrieben weist die die Voreinspritzung 71 den Sprühnebel des verteilten Kraftstoffs in dem radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 in einer größeren Menge auf als in dem radial mittigen Bereich 17a derselben. Andererseits weist die Haupteinspritzung 72 den Kraftstoffnebel mit einer größeren Menge in dem radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17 auf als in dem radialen Umfangsbereich 17b derselben. Diese Vor- bzw. Haupteinspritzungen 71, 72 bilden ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, das in der Brennkammer 17 radial weiter verteilt wird als zum Zeitpunkt der Zündung. Das soll heißen, dass diese Vor- und Haupteinspritzungen 71, 72 im Wesentlichen verhindern, dass sich ein Abschnitt mit einer lokal höheren Kraftstoffkonzentration bildet.As described above, the
Wenn dann die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 abgeschlossen sind, wird der Kraftstoff zünden. Dies bedeutet, dass der Kraftstoffnebel zündet, nachdem ein Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet wurde, dass sich in der Brennkammer 17 radial weit verteilen soll. Somit verhindert dies im Wesentlichen, dass Rauch entsteht.Then, when the
In diesem Fall wird die Voreinspritzung 71 verhältnismäßig früh durchgeführt, jedoch ist die Menge an durch die Voreinspritzung 71 eingespritztem Kraftstoff kleiner als die durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Menge Kraftstoff und ist nicht so groß, was die Vermeidung einer verfrühten Zündung ermöglicht. Ferner ist in diesem Betriebsbereich das AGR-Gas als ein Inertgas in der Brennkammer 17 vorhanden. Dies ermöglicht im Wesentlichen auch zu vermeiden, dass die Voreinspritzung 71 den Sprühnebel verfrüht zündet.In this case, the
(Kraftstoffeinspritzsteuerung im Halb- bis Volllastbereich)(Fuel injection control in the half to full load range)
In dem Halb- bis Volllastbereich B wird der Kraftstoff wie oben beschrieben quasi zweimal eingespritzt, durch die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72. In diesem Fall kann abhängig vom Druckzustand in dem Zylinder 11, dem Temperaturzustand in dem Zylinder 11 und der Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder 11 der durch die Voreinspritzung 71 in den Zylinder 11 eingespritzte Kraftstoff während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidationsreaktion hervorrufen. Sobald die Teiloxidationsreaktion hervorgerufen wurde, steigt die Temperatur in dem Zylinder 11 dementsprechend an. Somit wird der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftsoff spontan zünden, noch bevor ihm eine ausreichende Zündzeitverzögerung gewährt wurde, wodurch er entweder Rauch produziert oder den Verbrennungszeitraum während dem Arbeitstakt verlängert, um die CO-Emission zu steigern.In the half to full load range B, the fuel is injected almost twice, as described above, by the
Das Durchführen der Haupteinspritzung 72 in einem solchen Zustand ermöglicht es dem durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoff, sich spontan in der Umgebung des oberen Verdichtungstotpunkts zu entzünden, ohne dass ihm eine ausreichende Zündzeitverzögerung gewährt wurde. Die unzureichende Vermischung von Kraftstoff und Luft führt zur Entstehung von Rauch. Ferner ermöglicht die unzureichende Vermischung des Kraftstoffs und der Luft, dass die Wärme fortwährend erzeugt wird, selbst während der zweiten Hälfte der Verbrennung, was somit einen Anstieg der CO-Emissionen verursacht.Performing the
Somit bestimmt bei diesem Motor 1 der Motor-Controller 100, ob es während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird. Lautet die Antwort JA, führt der Motor-Controller 100 zwischen der Voreinspritzung 71 und der Haupteinspritzung 72 eine durch die Phantomlinie in
Der Motor-Controller 100 schätzt auf Grundlage der durch den Wassertemperatursensor 58 detektierten Kühlwassertemperatur und der durch den Ansaugluftsensor 59 detektierten Ansauglufttemperatur den Temperaturzustand in dem Zylinder 11. Auch schätzt der Motor-Controller 100 auf Grundlage des durch den Ansaugluftsensor 510 detektieren Ansaugluftdrucks den Druckzustand in dem Zylinder 11. Der Motor-Controller 100 schätz ferner auf Grundlage der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, das durch den Linear-Sauerstoffsensor 511 detektiert wurde, die Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder 11, und bestimmt somit, ob es während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird. Beispielsweise kann der Motor-Controller 100 im Vorfeld auf Grundlage eines vorgegebenen Modells und den jeweiligen, obenstehend beschriebenen Parametern bestimmen, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht. Alternativ kann der Motor-Controller 100 auch später auf Grundlage der Bestandteile des Abgases bestimmen, dass die Teiloxidationsreaktion eingetreten ist.The
Die Zwischen-Einspritzung 73 wird während einem vorgegebenen Zeitraum zwischen der Voreinspritzung 71 und der Haupteinspritzung 72 durchgeführt, wie durch die Punktlinien in
Ein verfrühtes Durchführen der Zwischen-Einspritzung 73 würde die Temperatur in dem Zylinder 11 mit der latenten Verdampfungshitze vor einem Zeitraum absenken, bei dem die Teiloxidationsreaktion eintreten wird. In diesem Fall würde die Funktion zur Verhinderung des Eintretens der Teiloxidationsreaktion nicht ausreichend durchgeführt werden. Ferner würde der durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzte Kraftstoff auch der Hochtemperatur/Hochdruck-Umgebung in dem Zylinder 11 ausgesetzt werden, was möglicherweise währen der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts die Teiloxidationsreaktion verursachen würde. Somit wird die Zwischen-Einspritzung 73 geeigneterweise zu einem Zeitpunkt durchgeführt, der derart ist, dass er es dem durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, während oder nach der Zündung des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs spontan zu zünden.Performing the
Dies gibt der Zwischen-Einspritzung 73 ein verhältnismäßig langes Intervall zwischen sich 73 und der auf sie folgenden Haupteinspritzung 72. Konkret ist das Intervall zwischen dem Ende der Einspritzung der Zwischen-Einspritzung 73 und dem Beginn der Haupteinspritzung 72 länger als das Intervall zwischen ersten und zweiten Einspritzungen der Haupteinspritzung 72, bei der es sich um eine Mehrstufen-Einspritzung handelt. Dies verhindert im Wesentlichen, dass der Sprühnebel der durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoffs sich mit dem Sprühnebel des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs überlagert. Dies trägt vorteilhafterweise dazu bei, den Kühlverlust zu senken, indem die Verbrennungstemperatur gesenkt wird und im Wesentlichen die Entstehung von Rauch verhindert wird, indem eine lokale Bildung eines übermäßig dichten Kraftstoff/Luft-Gemischs beseitigt wird.This gives the intermediate injection 73 a relatively long interval between itself 73 and the
Die Menge des durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoffs ist kleiner als diejenige des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs. Da die Zwischen-Einspritzung 73 zu einem früheren Zeitpunkt beginnt als die Haupteinspritzung 72, sind Temperatur und Druck in dem Zylinder 11 zum Zeitpunkt der Zwischen-Einspritzung 73 noch nicht ausreichend hoch. Somit wird es immer wahrscheinlicher, dass sich der in den Zylinder 11 eingespritzte Kraftstoffnebel länger fortbewegt als erwartet, und möglicherweise mit der Wandfläche der Brennkammer 17 in Kontakt gelangt. Dies ist nachteilig beim Bilden der das Kraftstoff/Luft-Gemisch umgebenden Gasschicht. Aus diesem Grund ist die Menge an durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritztem Kraftstoff verhältnismäßig gering. Ferner ermöglicht die Verringerung des durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoffs die Einspritzung von viel Kraftstoff durch die Haupteinspritzung 72. Dies begünstigt das Motordrehmoment in dem Halb- bis Volllast-Bereich B, in dem die Gesamtmenge an eingespritztem Kraftstoff ansteigt.The amount of fuel injected by the
In den
Es sei angemerkt, dass bei den in den
Bei dem oben-beschriebenen Beispiel wird als Kraftstoffeinspritzventil 6 ein sich nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil 6 verwendet. Beispielsweise kann ein Injektor vom VCO-Typ (Valve Covered Orifice) die effektive Querschnittsfläche der Einspritzdüsenöffnung auch verändern, indem der Kavitätsgrad, der durch die Düsenöffnung erzeugt wird, angepasst wird. Folglich, selbst wenn der in der
In dem oben beschriebenen Beispiel wird eine Wärmeabschirmungsstruktur für die Brennkammer und die Ansaugöffnung verwendet und eine wärmeisolierende Gasschicht wird innerhalb der Brennkammer gebildet. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung auch auf einen Motor anwendbar, bei dem eine solche Wärmeabschirmungsstruktur nicht eingesetzt wird.In the example described above, a heat shielding structure is used for the combustion chamber and the intake port, and a heat insulating gas layer is formed inside the combustion chamber. However, the present disclosure is also applicable to an engine that does not employ such a heat shield structure.
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Motorengine
- 100100
- Motor-Controller (Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung)Engine controller (fuel injection control unit)
- 1111
- Zylindercylinder
- 1212
- Zylinderblockcylinder block
- 1313
- Zylinderkopfcylinder head
- 1616
- KolbenPistons
- 1717
- Brennkammercombustion chamber
- 66
- Kraftstoffeinspritzventilfuel injector
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